DE4243144A1 - Objective for an FT Raman microscope - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Raman-Mikroskop, insbesondere für ein Fouriertransform (FT)-Spektrometer, mit einem Objektiv zur vergrößernden Abbildung eines punktförmigen Bereichs auf einer Oberfläche einer Meßprobe, mit Mitteln zum Einstrahlen von Laserstrahlung auf den punktförmigen Bereich und mit Mitteln zur Detektion der emittierten Raman-Strahlung. The invention relates to a Raman microscope, in particular for a Fourier transform (FT) spectrometer, with a lens for magnifying image of a punctiform area on a Surface of a test sample, with means for irradiating Laser radiation on the punctiform area and by means for the detection of the emitted Raman radiation.
Ein solches Raman-Mikroskop ist beispielsweise bekannt aus dem Konferenzbeitrag "Holographic Optical Components for Laser Spectroscopy Applications" von Harry Owen, verteilt auf der Konferenz "Holographics International ′92", 26-29. Juli 1992, London, England.Such a Raman microscope is known for example from the Conference contribution "Holographic Optical Components for Laser Spectroscopy Applications "by Harry Owen, distributed at the Conference "Holographics International ′92", 26-29. July 1992, London, England.
Die Raman-Streuung ist ein sehr schwacher Prozeß, bei dem ein Photon in Wechselwirkung mit einem Molekül tritt und dabei inelastisch gestreut wird. Das Photon verliert oder gewinnt bei diesem Prozeß also Energie, die sich in einer Frequenz verschiebung des gestreuten Photons ausdrückt. Diese Frequenz verschiebung entspricht Rotations-, Vibrations- oder elektro nischen Zustandsübergängen des Moleküls, an dem das Photon gestreut wird. Für Vibrations-Übergänge liegt die Streuwahr scheinlichkeit ungefähr bei 10-7. Demgegenüber ist der als Rayleigh-Streuung bekannte elastische Streuprozeß, bei dem während der Wechselwirkung zwischen Photon und Molekül kein Energietransfer stattfindet, erheblich stärker. Die Raman- Spektroskopie ist zu einer sehr empfindlichen und aussagekräf tigen Methode zur Bestimmung von chemischen und molekularen Strukturen in Flüssigkeiten, Festkörpern und an Oberflächen entwickelt worden. Sie liefert komplementäre Aussagen zu der üblichen Infrarot (IR)-Spektroskopie, da bei Raman-Prozessen molekulare Übergänge möglich sind, die bei den Prozessen der IR-Spektroskopie verboten sind.Raman scattering is a very weak process in which a photon interacts with a molecule and is scattered inelastically. The photon loses or gains energy in this process, which is expressed in a frequency shift of the scattered photon. This frequency shift corresponds to rotational, vibration or electronic state transitions of the molecule on which the photon is scattered. For vibration transitions, the scattering probability is approximately 10 -7 . In contrast, the elastic scattering process known as Rayleigh scattering, in which no energy transfer takes place during the interaction between photon and molecule, is considerably stronger. Raman spectroscopy has been developed into a very sensitive and meaningful method for the determination of chemical and molecular structures in liquids, solids and on surfaces. It provides complementary statements to the usual infrared (IR) spectroscopy, since molecular transitions are possible in Raman processes, which are prohibited in the processes of IR spectroscopy.
In den letzten Jahren wurden verstärkt auch Nahinfrarot (NIR)- Laser, wie beispielsweise Neodym-YAG-Laser für die Raman- Spektroskopie, insbesondere in Fouriertransform (FT)-Spektro metern verwendet. Ein solches FT-IR-Spektrometer ist beispiels weise in der Firmenschrift "IFS 66" der Firma Bruker Analytische Meßtechnik GmbH beschrieben. Das bei den klassischen Raman- Experimenten äußerst störende Fluoreszenzlicht im sichtbaren Bereich kann durch die Verwendung von NIR-Lasern zur Anregung von Raman-Prozessen im wesentlichen vermieden werden.In recent years, near infrared (NIR) Lasers, such as neodymium-YAG lasers for the Raman Spectroscopy, especially in Fourier transform (FT) spectro meters used. Such an FT-IR spectrometer is an example wise in the company font "IFS 66" from Bruker Analytische Meßtechnik GmbH described. The classic Raman Experiments extremely disruptive fluorescent light in the visible The area can be excited by using NIR lasers are essentially avoided by Raman processes.
Für die Untersuchung von sehr kleinen oder inhomogenen Proben mit Hilfe der Raman-Spektroskopie werden im Raman-Spektrometer Mikroskope mit entsprechenden Objektiven zur vergrößernden Abbildung eines punktförmigen Bereichs auf der Oberfläche der Meßprobe verwendet. Ein solches üblicherweise aus optischen Linsen aufgebautes Mikroskop-Objektiv ist in beiden oben zitier ten Druckschriften beschrieben. Ein derartiges kommerziell erhältliches, für den sichtbaren Wellenlängenbereich optimiertes Glasobjektiv, das für den Einschuß von fokussiertem Laserlicht auf die Probenoberfläche und zur Aufnahme des emittierten Raman- Spektrums eingesetzt wird, hat jedoch den Nachteil einer chroma tischen Aberration, die zu einer Verzerrung der aufgenommenen Spektren führt. Daher sind diese Glasobjektive nur in einem sehr eingeschränkten optischen Bereich einsetzbar.For the examination of very small or inhomogeneous samples with the help of Raman spectroscopy in the Raman spectrometer Microscopes with appropriate lenses for magnifying Illustration of a punctiform area on the surface of the Measurement sample used. This usually from optical Lens-built microscope objective is cited in both above described publications. Such a commercial available, optimized for the visible wavelength range Glass lens that is used for the injection of focused laser light on the sample surface and to record the emitted Raman Spectrum is used, but has the disadvantage of a chroma tables aberration that leads to distortion of the recorded Spectra leads. Therefore, these glass lenses are only in one very limited optical range can be used.
Gegen die chromatische Aberration in einem bestimmten Wellen längenbereich werden herkömmliche Glasobjektive durch Beschich tung entspiegelt. Diese Entspiegelung wirkt aber nur im sicht baren Wellenlängenbereich, während das Objektiv im NIR-Bereich zu Abbildungsfehlern führt. Zwar wäre auch eine Entspiegelung und Korrektur der bekannten Glasobjektive für den IR-Bereich prinzipiell möglich. Derartige Objektive wären jedoch in der Herstellung sehr aufwendig, und die Korrekturwirkung würde auch nur für einen kleinen Ausschnitt aus dem IR-Wellenlängen bereich wirksam werden. Daher sind entspiegelte IR-Glasobjektive im normalen Handel kaum erhältlich und sehr teuer.Against the chromatic aberration in a certain wave conventional glass lenses are covered by coating anti-reflective coating. This anti-reflective coating only works in sight wavelength range, while the lens in the NIR range leads to aberrations. An anti-reflective coating would also be and correction of the known glass lenses for the IR range in principle possible. Such lenses would be in the Manufacturing very expensive, and the corrective effect would even for a small section of the IR wavelengths area become effective. Therefore, anti-glare IR glass lenses hardly available in normal trade and very expensive.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Raman- Mikroskop der oben beschriebenen Art vorzustellen, das auf einfache Weise aus kommerziell leicht erhältlichen optischen Bauteilen aufgebaut ist und keine chromatische Aberration auf weist.The object of the present invention is therefore to provide a Raman To introduce microscope of the type described above that on simple way from commercially available optical Components is built up and no chromatic aberration points.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Laserstrahlung im Infrarot (IR)-, vorzugsweise im Nahinfrarot (NIR)-Bereich liegt, und daß das Objektiv ein Cassegrain-Spie gelobjektiv mit einem rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse angeordneten Konvexspiegel und einem ebenfalls zur opti schen Achse des Objektivs rotationssymmetrischen Konkavspiegel ist, wobei der auf der optischen Achse liegende Brennpunkt des Konkavspiegels mit dem punktförmigen Bereich auf der Oberfläche der Meßprobe übereinstimmt. Das verwendete Cassegrain-Spiegel objektiv, das beispielsweise aus der Druckschrift DE-OS 33 03 140 an sich bekannt ist, ist achromatisch und führt daher zu keinen Verzerrungen im NIR-Raman-Spektrum. Obwohl die erfin dungsgemäße Problemlösung im nachhinein verblüffend einfach erscheinen mag, ist bisher kein Raman-Mikroskop bekannt gewor den, bei dem ein Cassegrain-Objektiv eingesetzt wurde.According to the invention this object is achieved in that the Laser radiation in the infrared (IR) -, preferably in the near infrared (NIR) range, and that the lens is a Cassegrain game gel lens with a rotationally symmetrical to an optical Axial convex mirror and one also for opti axis of the lens rotationally symmetrical concave mirror , the focal point of the optical axis Concave mirror with the punctiform area on the surface the test sample agrees. The Cassegrain mirror used Objectively, for example from DE-OS 33 03 140 is known per se, is achromatic and therefore leads to no distortions in the NIR Raman spectrum. Although the inventions In retrospect, problem solving is amazingly simple no Raman microscope is known the one where a Cassegrain lens was used.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zum Einstrahlen der Laserstrahlung so ausgebildet, daß die Laser strahlung zunächst auf die spiegelnde Fläche des Konvexspiegels trifft, wobei der wesentliche Teil der Laserstrahlung mit Ab stand von der optischen Achse des Cassegrain-Spiegelobjektivs eingestrahlt wird. Durch die Anordnung der Mittel zum Einstrah len der Laserstrahlung auf der probenabgewandten Seite des Cassegrain-Spiegelobjektivs entstehen keine Platzprobleme hin sichtlich der Positionierung des oder der Einkoppelspiegel. Aufgrund der Einstrahlung zumindest eines wesentlichen Teils des Laserlichts mit seitlichem Versatz von der optischen Achse des Objektivs wird kaum oder gar kein Laserlicht in den zu einem Detektor führenden Strahlengang des aus dem Objektiv austretenden Raman-Streulichts eingekoppelt.In one embodiment of the invention, the means for Irradiation of the laser radiation designed so that the laser radiation first onto the reflecting surface of the convex mirror hits, with the essential part of the laser radiation with Ab stood from the optical axis of the Cassegrain mirror lens is irradiated. By the arrangement of the means for irradiation len of the laser radiation on the side of the Cassegrain mirror lenses do not cause space problems visually the positioning of the coupling mirror (s). Due to the radiation of at least a significant part of the laser light with a lateral offset from the optical axis There is little or no laser light in the lens a detector leading beam path from the lens emerging Raman scattered light.
Eine bevorzugte Möglichkeit der Einkopplung besteht darin, daß die Laserstrahlung über einen halbdurchlässigen Planspiegel, der auf der optischen Achse mit Abstand vom Cassegrain-Spiegel objektiv auf der der Meßprobe entgegengesetzten Seite unter einem Winkel zur optischen Achse angeordnet ist, auf den Kon vexspiegel gelenkt wird, wobei die Laserstrahlung derart diver gierend aufgeweitet ist, daß sie als symmetrisch zur optischen Achse kegelförmiger Strahl auf den Konvexspiegel auftrifft, und wobei der Kegelwinkel so gewählt ist, daß die Laserstrahlung nach Durchlaufen des Cassegrain-Spiegelobjektivs auf den punkt förmigen Bereich fokussiert wird.A preferred way of coupling is that the laser radiation via a semitransparent plane mirror, that on the optical axis at a distance from the Cassegrain mirror objectively on the opposite side of the test sample is arranged at an angle to the optical axis, on the Kon Vex mirror is directed, the laser radiation being so diverse is widened that it is symmetrical to the optical Axis of the conical beam strikes the convex mirror, and wherein the cone angle is chosen so that the laser radiation after going through the Cassegrain mirror lens to the point shaped area is focused.
Dadurch wird das Cassegrain-Spiegelobjektiv von der einfallenden Laserstrahlung voll ausgeleuchtet und die letztere optimal zur Raman-Anregung auf der Probenoberfläche ausgenutzt.This will make the Cassegrain mirror lens from the incident Laser radiation fully illuminated and the latter ideal for Raman excitation on the sample surface exploited.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der halbdurchlässige Planspiegel für Ramanstrahlung in einem beobachteten Wellenlängenbereich transmittierend und für die eingestrahlte NIR-Laserstrahlung reflektierend. Auf diese Weise kann die eingekoppelte Laserstrahlung vollständig und ohne Verluste für die Raman-Messung nutzbar gemacht werden.In a preferred development of this embodiment the semi-transparent plane mirror for Raman radiation in one observed wavelength range transmitting and for the radiated NIR laser radiation reflective. In this way can the coupled laser radiation completely and without Losses can be used for the Raman measurement.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die Einkopplung dadurch bewirkt, daß die Laserstrahlung als Parallelbündel mit geringem Strahldurchmesser über einen vollständig reflektierenden Plan spiegel, der mit seitlichem Versatz zur optischen Achse und auf der proben-abgewandten Seite des Cassegrain-Spiegelobjektivs angeordnet ist, unter einem solchen Winkel bezüglich der opti schen Achse auf den Konvexspiegel gelenkt wird, daß das Paral lelbündel nach Durchlaufen des Cassegrain-Spiegelobjektivs auf den punktförmigen Bereich auftrifft. Auch in dieser Anordnung wird eine Reflektion des eingekoppelten Laserlichts in Richtung auf die Detektoranordnung des Spektrometers verhindert, wobei allerdings ein Teil der aus dem Cassegrain-Spiegelobjektiv austretenden Raman-Strahlung durch den vollständig reflektieren den Planspiegel ebenfalls ausgeblendet bleibt. Das eingekoppelte Laserlicht, bei dem es sich um einen im Querschnitt sehr dünnen, hoch intensiven Strahl handeln kann, läuft bei dieser Ausfüh rungsform am günstigsten auf der Mantelfläche des Kegels, der normalerweise beim Betrieb des Cassegrain-Spiegelobjektivs mit sichtbarem Licht mit einem bestimmten Aufweitungswinkel einge strahlt wird, um den Konvex-Spiegel möglichst vollständig aus zuleuchten, und der vom Spiegelobjektiv auf einen punktförmigen Bereich auf der Probenoberfläche fokussiert wird.In another embodiment, the coupling is thereby causes the laser radiation as a parallel beam with little Beam diameter over a fully reflective plan mirror with a lateral offset to the optical axis and on the side of the Cassegrain mirror lens facing away from the sample is arranged at such an angle with respect to the opti rule is directed to the convex mirror that the Paral oil bundle after passing through the Cassegrain mirror lens strikes the punctiform area. Even in this arrangement is a reflection of the injected laser light in the direction prevented on the detector arrangement of the spectrometer, wherein however, part of that from the Cassegrain mirror lens emerging Raman radiation by reflecting completely the plan mirror also remains hidden. The injected Laser light, which is a very thin cross-section, High intensity beam can act with this version form most favorably on the lateral surface of the cone, the normally when operating the Cassegrain mirror lens visible light turned on with a certain expansion angle radiates around the convex mirror as completely as possible to illuminate, and that from the mirror lens to a point Area is focused on the sample surface.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Ein koppelung der Laserstrahlung dadurch bewirkt, daß die Mittel zum Einstrahlen der Laserstrahlung ein auf der optischen Achse zwischen der Probe und dem Cassegrain-Spiegelobjektiv angeord netes reflektierendes Element umfassen, mit dessen Hilfe ein im wesentlichen quer zur optischen Achse eingestrahlter, paral lelgebündelter Laserstrahl längs der optischen Achse auf den punktförmigen Bereich auf der Oberfläche der Meßprobe gelenkt werden kann. Bei dieser geometrisch äußerst einfachen Anordnung entstehen keine Verluste der auf die Probe einfallenden Laser strahlung aufgrund von Streuung oder Absorption im Objektiv. Darüberhinaus ist auch kein Strahlteiler im Strahlengang des Raman-Mikroskops erforderlich, der normalerweise zu zusätzlichen Verlusten des gestreuten Ramanlichts führen würde.In a particularly preferred embodiment, the on Coupling of the laser radiation causes that the means for irradiating the laser radiation on the optical axis between the sample and the Cassegrain mirror lens include a reflective element, with the help of an im essentially parallel to the optical axis Oil-bundled laser beam along the optical axis onto the point-shaped area on the surface of the test sample can be. With this geometrically extremely simple arrangement there is no loss of the laser incident on the sample radiation due to scattering or absorption in the lens. In addition, there is no beam splitter in the beam path of the Raman microscope is required, which is usually additional Would result in loss of scattered Raman light.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausfüh rungsform weist das reflektierende Element eine geringere räum liche Ausdehnung quer zur optischen Achse auf, als der Konvex spiegel des Cassegrain-Spiegelobjektivs. Damit liegt das Reflek torelement im Schatten des Konvex-Spiegels, so daß die Licht ausbeute des von der Probe austretenden Raman-Lichts durch das Reflektorelement nicht geschwächt wird.In a particularly advantageous development of this embodiment form, the reflective element has a smaller space expansion across the optical axis than the convex Cassegrain mirror lens mirror. So that's the reflect Gate element in the shadow of the convex mirror, so that the light yield of the Raman light emerging from the sample through the Reflector element is not weakened.
Um eine höhere Strahlungsdichte des eingestrahlten Laserlichts auf der Probenoberfläche zu erzielen, wirkt das reflektierende Element bei einer vorteilhaften Ausführungsform fokussierend, insbesondere fokussiert es die einfallende Laserstrahlung auf den punktförmigen Bereich auf der Oberfläche der Meßprobe. Auf diese Weise wird vor allem eine bessere Ortsauflösung des FTIR- Raman-Spektrometers erzielt.To a higher radiation density of the incident laser light to achieve on the sample surface, the reflective effect Focusing element in an advantageous embodiment, in particular, it focuses on the incident laser radiation the punctiform area on the surface of the test sample. On this way, above all, a better spatial resolution of the FTIR Raman spectrometer achieved.
Das fokussierende Reflektorelement kann einen unter einem Winkel zur optischen Achse angeordneten Planspiegel sowie eine im Strahlengang der Laserstrahlung, vorzugsweise in Strahlrichtung vor dem Planspiegel angeordnete fokussierende Linse umfassen.The focusing reflector element can be at an angle to the optical axis arranged plane mirror and a in Beam path of the laser radiation, preferably in the beam direction include focusing lens arranged in front of the plane mirror.
Bevorzugt ist demgegenüber jedoch eine Ausführungsform, bei der das reflektierende Element ein vorzugsweise unter 45° zur optischen Achse angeordneter Parabolspiegel ist. Der Einschuß des Laserstrahls erfolgt dann unter 90° zur optischen Achse. Bei dieser vorteilhaften Lösung wird lediglich ein optisches Element für Strahlumlenkung und Fokussierung des einfallenden Laserstrahls benötigt, so daß die Verluste besonders klein gehalten werden. In contrast, an embodiment is preferred, however of the reflective element preferably at 45 ° to Parabolic mirror arranged optical axis. The bullet the laser beam then takes place at 90 ° to the optical axis. In this advantageous solution, only an optical one Element for beam deflection and focusing of the incident Laser beam required, so that the losses are particularly small being held.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Anwendung finden.The invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments described and he purifies. Those to be found in the description and the drawing Features may be in other embodiments of the invention individually, individually or in several combinations Find application.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1a ein schematisches Diagramm des Strahlengangs in einem Raman-Mikroskop mit einem Glasobjektiv nach dem Stand der Technik; Figure 1a is a schematic diagram of the beam path in a Raman microscope with a glass lens according to the prior art.
Fig. 1b ein Schema des Strahlengangs durch ein Casse grain-Spiegelobjektiv; FIG. 1b shows a schematic of the beam path by a grain Casse-mirror lens;
Fig. 2 den schematischen Strahlengang durch ein erfin dungsgemäßes Raman-Mikroskop mit Einkopplung des Laserlichts von oben, wobei der Laserstrahl Fig. 2 shows the schematic beam path through an inventive Raman microscope with coupling of the laser light from above, the laser beam
- a) stark gebündelt und mit seitlichen Versatz von der optischen Achse bzw.a) strongly bundled and with lateral offset from the optical axis or
-
b) stark aufgeweitet auf den optimalen Ein
fallskegel
in das Cassegrain-Spiegelobjektiv eingekoppelt wird;b) greatly expanded to the optimal single cone
is coupled into the Cassegrain mirror lens;
Fig. 3 den schematischen Strahlengang durch ein erfin dungsgemäßes Raman-Mikroskop mit Laserstrahlein kopplung zwischen dem Cassegrain-Spiegelobjektiv und der Probe, wobei der Laserstrahl Fig. 3 shows the schematic beam path through an inventive Raman microscope with laser beam coupling between the Cassegrain mirror lens and the sample, the laser beam
- a) stark gebündelt ist und über einen Plan spiegel auf die Probe gelenkt wird, a) is heavily bundled and has a plan mirror is directed to the sample,
- b) zunächst aufgeweitet ist, auf eine fokus sierende Linse trifft und mit einem Plan spiegel auf die Probe fokussiert wird, bzw.b) is initially widened to a focus lens meets and with a plan mirror is focused on the sample, respectively.
- c) zunächst aufgeweitet ist und mit einem Parabolspiegel abgelenkt und auf die Probe fokussiert wird.c) is initially expanded and with a Parabolic mirror deflected and put to the test is focused.
Bei dem in Fig. 1a dargestellten Strahlengang durch ein her kömmliches Raman-Mikroskop wird aus einem Laser 10 ein Laser strahl 20 über einen halbdurchlässigen oder dichroitischen Spiegel 6 durch ein Glasobjektiv 30 auf eine Probe 2 gelenkt. Die von der Probenoberfläche durch das Glasobjektiv 30 zurück gestreute Raman- (und Rayleigh-) Strahlung durchläuft das Glas objektiv 30 nunmehr in umgekehrter Richtung, wird von dem halb durchlässigen Spiegel 6 durchgelassen und nach Durchlaufen von anderen, in der Zeichnung nicht dargestellten Teilen des Spektrometers in einem Detektor 40 nachgewiesen.In the beam path shown in FIG. 1 a through a conventional Raman microscope, a laser beam 20 is directed from a laser 10 via a semi-transparent or dichroic mirror 6 through a glass lens 30 onto a sample 2 . The 30 backscattered Raman from the sample surface through the glass lens (and Rayleigh) radiation passes through the glass lens 30 is now in the reverse direction is transmitted by the half mirror 6, and after passing through the other, not shown in the drawing, parts of the spectrometer detected in a detector 40 .
Fig. 1b zeigt schematisch den Strahlengang durch ein Cassegrain- Spiegelobjektiv mit einem zur optischen Achse 5 rotationssym metrischen Konvexspiegel 3, durch den ein in das Objektiv ein fallendes, zunächst divergendes Strahlenbüschel 21 auf einen ebenfalls zur optischen Achse 5 rotationssymmetrischen Konkav spiegel 4 abgelenkt und von dort als einfallendes Strahlen büschel 22 auf einen punktförmigen Bereich 1 der Meßprobe 2, die auf einer Unterlage 12 angebracht ist, fokussiert wird. Das von dem punktförmigen Bereich 1 reflektierte Streulicht kann auf dem umgekehrten Weg das Cassegrain-Spiegelobjektiv 3, 4 wieder verlassen und zu in der Zeichnung nicht dargestellten anderen Spektrometerteilen und letztlich zu einem ebenfalls nicht dargestellten Detektor geführt werden. Eine solche im Stand der Technik für die Verwendung in IR-Spektrometern an sich bekannte Vorrichtung wurde bislang nie zur Untersuchung von Raman-Strahlung eingesetzt. FIG. 1b shows schematically the beam path by a Cassegrain mirror objective with a rotationssym to the optical axis 5 metric convex mirror 3 by which a mirror in the lens a falling first diver constricting beam bundle 21 to a rotationally symmetrical also to the optical axis 5 Concave 4 distracted and there as an incident beam tuft 22 is focused on a punctiform area 1 of the measurement sample 2 , which is attached to a base 12 . The scattered light reflected by the punctiform region 1 can leave the Cassegrain mirror objective 3 , 4 in the opposite way and be guided to other spectrometer parts not shown in the drawing and ultimately to a detector (also not shown). Such a device known per se in the prior art for use in IR spectrometers has never been used to investigate Raman radiation.
Bei der in Fig. 2 a) gezeigten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Raman-Mikroskops wird der Laserstrahl 20 aus einem Infrarot (IR)-, vorzugsweise einem Nahinfrarot (NIR)-Laser 11 über einen auf der probenabgewandten Seite des Cassegrain-Spie gelobjektivs 3, 4 mit seitlichem Versatz zur optischen Achse 5 angeordneten Planspiegel 7 durch das Cassegrain-Objektiv 3, 4 auf den punktförmigen Bereich 1 auf der Oberfläche der Meß probe 2 gelenkt. Der aus dem IR-Laser 11 austretende Laserstrahl 20 ist bei diesem Ausführungsbeispiel parallel gebündelt und weist einen lediglich geringen Strahldurchmesser auf. Der mög lichst vollständig reflektierende Planspiegel 7 ist so ange ordnet, daß der Laserstrahl 20 auf eine Mantellinie 23 des optimalen Einfallskegels in das Cassegrain-Spiegelobjektiv 3, 4 abgelenkt wird, aus dem er dann auf dem Teilpfad 24 austritt und im punktförmigen Bereich 1 auf die Probenoberfläche trifft.In the embodiment of the Raman microscope according to the invention shown in FIG. 2 a), the laser beam 20 is emitted from an infrared (IR), preferably a near infrared (NIR) laser 11 via a gel objective 3 on the side of the Cassegrain mirror which is remote from the sample, 4 with lateral offset to the optical axis 5 arranged plane mirror 7 directed by the Cassegrain lens 3 , 4 to the punctiform area 1 on the surface of the measurement sample 2 . The laser beam 20 emerging from the IR laser 11 is bundled in parallel in this exemplary embodiment and has only a small beam diameter. The most fully reflecting plane mirror 7 is arranged so that the laser beam 20 is deflected onto a surface line 23 of the optimal incidence cone in the Cassegrain mirror lens 3 , 4 , from which it then emerges on the partial path 24 and in the punctiform area 1 on the Sample surface hits.
Das von der Meßprobe 2 reflektierte Raman-Licht wandert dann auf dem Teilpfad 25 in das Cassegrain-Spiegelobjektiv 3, 4 und verläßt dieses auf einem Teilpfad 26 in Richtung auf die einen Detektor enthaltenden, in der Zeichnung nicht dargestellten Spektrometerteile.The Raman light reflected by the measurement sample 2 then travels on the partial path 25 into the Cassegrain mirror objective 3 , 4 and leaves it on a partial path 26 in the direction of the spectrometer parts containing a detector, not shown in the drawing.
Dem Vorteil dieser Ausführungsform, daß relativ stark gebündelte Laserstrahlung auf den punktförmigen Bereich 1 der Meßprobe 2 gerichtet wird, steht der Nachteil gegenüber, daß bei einem geringen axialen Versatz der Meßprobe 2 parallel zur optischen Achse 5 ein völlig anderer Bereich auf der Probenoberfläche getroffen wird. The advantage of this embodiment that relatively strongly focused laser radiation is directed onto the punctiform area 1 of the measurement sample 2 is offset by the disadvantage that a completely different area is hit on the sample surface with a slight axial offset of the measurement sample 2 parallel to the optical axis 5 .
Dieser Nachteil besteht nicht bei dem in Fig. 2 b) gezeigten Ausführungsbeispiel, in welchem aus dem IR-Laser ein bereits aufgeweiteter, divergierender Laserstrahl 20 auf einen halb durchlässigen Planspiegel 6 gerichtet wird, der ein Strahlen büschel 21 symmetrisch zur optischen Achse 5 in das Cassegrain- Spiegelobjektiv 3, 4 einkoppelt. Der Divergenzwinkel des Laser strahls 20 und damit des Strahlenbüschels 21 sollte dabei so gewählt werden, daß das Strahlenbüschel 21 mit dem optimalen Einfallskegel des Cassegrain-Spiegelobjektivs 3, 4 überein stimmt, so daß der Konvexspiegel 3 optimal ausgeleuchtet wird. Das aus dem Objektiv austretende Strahlenbüschel 22 wird dann wie bei der in Fig. 1b gezeigten Anordnung auf den punktförmigen Bereich 1 der Meßprobe 2 fokussiert. Das reflektierte bzw. gestreute Raman-Licht nimmt den umgekehrten Strahlenweg durch das Cassegrain-Objektiv 3, 4 zurück auf den halbdurchlässigen Spiegel 6, welcher für die eingestrahlte Laserstrahlung re flektierend, für die zu beobachtende Raman-Strahlung hingegen transparent ist.This disadvantage does not exist in the embodiment shown in FIG. 2 b), in which an already widened, diverging laser beam 20 is directed from the IR laser onto a semitransparent plane mirror 6 , which bundles a beam 21 symmetrically with respect to the optical axis 5 Coupled Cassegrain mirror lens 3 , 4 . The divergence angle of the laser beam 20 and thus the bundle of rays 21 should be chosen so that the bundle of rays 21 coincides with the optimal cone of incidence of the Cassegrain mirror lens 3 , 4 , so that the convex mirror 3 is optimally illuminated. The bundle of rays 22 emerging from the objective is then focused on the punctiform region 1 of the measurement sample 2 as in the arrangement shown in FIG. 1b. The reflected or scattered Raman light takes the reverse beam path through the Cassegrain lens 3 , 4 back to the semitransparent mirror 6 , which is reflective for the incident laser radiation, but is transparent to the Raman radiation to be observed.
Bei einem kleinen axialen Versatz der Meßprobe 2 parallel zur optischen Achse 5 wird die Oberfläche der Meßprobe 2 immer noch um den punktförmigen Bereich 1 herum bestrahlt, wobei dann allerdings ein ausgedehnterer Brennfleck entsteht, der bei exakter Justage der Meßprobe 2 dem Brennpunkt 1 entspricht.With a small axial offset of the test sample 2 parallel to the optical axis 5 , the surface of the test sample 2 is still irradiated around the punctiform area 1 , but then an extended focal spot arises which corresponds to the focal point 1 when the test sample 2 is precisely adjusted.
Bei den in den Fig. 3a) bis 3c) gezeigten Ausführungs beispielen erfolgt die Einkoppelung der IR-Laserstrahlung je weils über ein zwischen der Meßprobe 2 und dem Cassegrain-Spie gelobjektiv 3, 4 angeordnetes Reflektorelement.In the embodiment shown in FIGS . 3a) to 3c), the coupling of the IR laser radiation takes place via a gel lens 3 , 4 arranged between the measurement sample 2 and the Cassegrain mirror 3 , 4 arranged reflector element.
In Fig. 3a) ist eine einfache Anordnung mit einem Planspiegel 8 auf der optischen Achse zwischen dem Konvexspiegel 3 und der Meßprobe 2 dargestellt. Der parallel gebündelte Laserstrahl 20 aus dem IR-Laser 11 trifft im gezeigten Beispiel von der Seite auf den um ca. 45° gegen die optische Achse 5 gekippten Plan spiegel 8 auf und wird von diesem längs der optischen Achse 5 auf den punktförmigen Bereich 1 auf der Oberfläche der Meßprobe 2 abgelenkt. Die von der Meßprobe 2 emittierte Raman-Strahlung wird in einem Hohlkegelbereich 22′ von dem Cassegrain-Spiegel objektiv 3, 4 aufgefangen und in einem Kegelbereich 21′ kon vergierend in die weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Teile des Raman-Spektrometers weitergeleitet. Dadurch kann einerseits ein relativ stark gebündelter Laserstrahl 20 mit hoher Intensitätsdichte auf den punktförmigen Bereich 1 auf gebracht werden, wobei andererseits aber, im Gegensatz zu der in Fig. 2a) gezeigten Ausführungsform keine teilweise Aus blendung des vom Spiegelobjektiv aufgefangenen und konvergierend weitergereichten Raman-Streulichts erfolgt.In Fig. 3a), a simple arrangement is shown with a plane mirror 8 on the optical axis between the convex mirror 3 and the test sample. 2 The parallel bundled laser beam 20 from the IR laser 11 strikes in the example shown from the side on the tilted by about 45 ° against the optical axis 5 plan mirror 8 and from this along the optical axis 5 to the punctiform region 1 deflected the surface of the measurement sample 2 . The Raman radiation emitted by the test sample 2 is collected in a hollow cone region 22 'by the Cassegrain mirror objective 3 , 4 and in a cone region 21 ' convergingly passed on to the other parts of the Raman spectrometer, not shown in the drawing. As a result, on the one hand a relatively strongly focused laser beam 20 with a high intensity density can be brought onto the punctiform region 1 , but on the other hand, in contrast to the embodiment shown in FIG he follows.
Bei den in Fig. 3b) und 3c) gezeigten Ausführungsbeispielen wird die aus dem IR-Laser 11 austretende Laserstrahlung 20 nicht nur umgelenkt, sondern auch fokussiert. In Fig. 3b) ist eine Anordnung gezeigt, bei der aus dem IR-Laser 11 ein relativ stark aufgeweitetes Parallelbündel 20 austritt, das über eine fokussierende Linse 9 und einen wie bei der Ausführungsform in Fig. 3a) angeordneten Planspiegel 8 auf den punktförmigen Bereich 1 der Meßprobe 20 fokussiert wird. Ein derart aufge weiteter, parallel gebündelter Laserstrahl 20 hat gegenüber einen Laserstrahl mit engem Querschnitt den Vorteil, daß er relativ große Strecken ohne nennenswerte Divergenz geführt werden kann. Demgegenüber fällt der Nachteil einer Absorption eines gewissen Anteils des Laserlichts in der Linse 9 kaum ins Gewicht. In the exemplary embodiments shown in FIGS . 3b) and 3c), the laser radiation 20 emerging from the IR laser 11 is not only deflected, but also focused. In Fig. 3b), an arrangement is shown in which from the IR laser 11 is a relatively strong flared parallel beam 20 emerges that has a focusing lens 9 and a as in the embodiment in Fig. 3a) arranged plane mirror 8 to the point-shaped region 1 of the measurement sample 20 is focused. Such an expanded, parallel bundled laser beam 20 has the advantage over a laser beam with a narrow cross-section that it can be relatively large distances without significant divergence. In contrast, the disadvantage of absorbing a certain proportion of the laser light in the lens 9 is hardly significant.
In Fig. 3c) schließlich ist ein besonders bevorzugtes Aus führungsbeispiel dargestellt, bei dem das reflektierende Element zwischen dem Cassegrain-Spiegelobjektiv 3, 4 und der Meßprobe 2 den einfallenden, parallel aufgeweiteten Laserstrahl 20 nicht nur umlenkt, sondern auch gleichzeitig auf den punktförmigen Bereich 1 der Meßprobe 2 fokussiert. Dies wird durch einen vorzugsweise unter 45° zur optischen Achse 5 angeordneten Para bolspiegel 13 erreicht.In Fig. 3c), a particularly preferred exemplary embodiment is shown, in which the reflecting element between the Cassegrain mirror objective 3 , 4 and the measurement sample 2 not only deflects the incident, parallel-widened laser beam 20 , but also simultaneously onto the punctiform region 1 the sample 2 focused. This is achieved by a preferably arranged at 45 ° to the optical axis 5 Para bolspiegel 13 .
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Planspiegel 8 bzw. der Parabolspiegel 13 eine geringere räumliche Ausdehnung quer zur optischen Achse 5 aufweisen als der Konvexspiegel 3 des Casse grain-Spiegelobjektivs 3, 4. In diesem Fall befindet sich näm lich das reflektierende Element 8, 13 jeweils im Schatten des Konvexspiegels 3, so daß das von der Oberfläche der Meßprobe 2 in den Hohlkegel 22′ emittierte Raman-Licht durch das reflek tierende Element 8, 13 nicht abgeschwächt wird.It is particularly advantageous if the plane mirror 8 or the parabolic mirror 13 has a smaller spatial dimension transverse to the optical axis 5 than the convex mirror 3 of the Casse grain mirror objective 3 , 4 . In this case, the reflective element 8 , 13 is located in the shadow of the convex mirror 3 , so that the Raman light emitted from the surface of the test sample 2 into the hollow cone 22 'is not weakened by the reflective element 8 , 13 .
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